山地城鎮(zhèn)光環(huán)境與節(jié)能控制技術(shù)研究構(gòu)架

梁樹英，楊春宇，張青文

（重慶大學(xué) a.博士后流動站；b. 建筑城規(guī)學(xué)院國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045）

能源緊張和碳排放加劇是當(dāng)今世界所面臨的重要問題。隨著城市化進(jìn)程加快，城鎮(zhèn)建設(shè)將有一個(gè)大力的發(fā)展期，能源緊張問題會更加突出。目前，中國的建筑能耗約占社會總能耗的1/3。光環(huán)境是物理環(huán)境中的一個(gè)組成部分，優(yōu)良的光環(huán)境能提高人們的工作和學(xué)習(xí)效率，保障人身安全，使人身心愉快，有利于身體健康。

中國幅員遼闊，地形地貌復(fù)雜，東西南北區(qū)域光氣候差異較大。與平原城鎮(zhèn)不同，山地城鎮(zhèn)可利用的土地資源十分有限，其建筑密度大，高層建筑多，采光不足，造成了山地城鎮(zhèn)建筑天然光環(huán)境差，同時(shí)也因人工照明時(shí)間延長導(dǎo)致了能耗加大。重慶主城區(qū)土地資源有限，高層建筑多，建筑密度大。一方面既相互遮擋陽光，使室內(nèi)人工照明時(shí)間延長，耗能加大；另一方面直射光輻射熱又相互影響形成熱污染，提高了環(huán)境溫度，增加了空調(diào)耗能。山地城鎮(zhèn)道路坡度大，彎道多，隧道多，整個(gè)城市照明包括道路照明、隧道照明、城市景觀照明、戶外廣告照明、交通信號照明、公共標(biāo)識照明等都有其特殊性。但目前中國在城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)、市政建設(shè)、城市管理等諸多涉及光環(huán)境方面的規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)仍是全國統(tǒng)一模式，還沒有專門針對山地城鎮(zhèn)光環(huán)境進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究。另外，地下空間等建筑缺乏天然采光，需要引入先進(jìn)的科學(xué)采光技術(shù)和節(jié)能的照明技術(shù)[1]。因此，如何針對山地城鎮(zhèn)不同區(qū)域的天然光狀況，進(jìn)行日光調(diào)節(jié)與控制、人工照明與節(jié)能設(shè)計(jì)，系統(tǒng)研究山地城鎮(zhèn)光環(huán)境，研究光環(huán)境控制與節(jié)能產(chǎn)品，對營造良好的人居環(huán)境和節(jié)能減排具有重要意義。

1 山地城鎮(zhèn)光環(huán)境控制理論及分類研究

1.1 山地城鎮(zhèn)光氣候研究

掌握天然光和日照輻射的變化規(guī)律，是有效利用天然光資源和開發(fā)太陽能的基礎(chǔ)。只有通過對天然光和日照輻射的長期觀測、探索，獲得足夠的光氣候觀測數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行處理、統(tǒng)計(jì)和分析，才能掌握光氣候的變化規(guī)律。國際照明委員會（CIE）在1991年組織了全球天然光資源的調(diào)查和觀測，即International Daylight Measurement Program，簡稱IDMP。為此，全世界50多個(gè)國家紛紛響應(yīng)，相繼建立不同等級的天然光及日輻射觀測站。同年，中國北京、重慶分別建立了研究級（Research Class）和一般級（General Class）的天然光及日輻射觀測站[2]。重慶觀測站采用了全套自動化系統(tǒng)，對太陽輻射、照度及天頂亮度等11個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行了連續(xù)觀測，獲得了大量觀測數(shù)據(jù)，為重慶地區(qū)的光氣候研究提供了科學(xué)依據(jù)。另外，對山地城鎮(zhèn)光氣候進(jìn)行研究，還需要對山地城鎮(zhèn)的光環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查和數(shù)據(jù)采集分析，充分把握山地城鎮(zhèn)的光環(huán)境條件與存在的問題。

1.2 影響室外光環(huán)境因素研究

室外光環(huán)境在建筑外部是由光照射而創(chuàng)造的環(huán)境，其功能是要滿足物理、視覺、心理以及社會安全等方面的要求。影響室外光環(huán)境的因素有很多，主要包括室外的天氣條件、天空光和直射陽光、人工光、建（構(gòu)）筑物飾面材料光反射性質(zhì)及材料顏色等。白天，室外天氣條件是不斷變化的，晴天時(shí)有天空光和直射陽光，藍(lán)色天空接近于地平線處光亮，在天頂處相對不亮；陰天時(shí)天空亮度并不均勻，在天頂處最亮，其亮處為地平線的3倍[3]。夜間，大量燈光落在建（構(gòu)）筑物等反射比較高的飾面材料上，形成眩光等，也影響了室外光環(huán)境。另外，與光有聯(lián)系的顏色也是影響光環(huán)境的重要因素。例如，建筑立面的顏色，樹木、草坪、綠籬、花壇等的顏色，街道信號標(biāo)志的顏色等。其色相、明度、彩度在受光照射后都會有所變化，因此，要根據(jù)實(shí)際情況，對影響室外光環(huán)境的主要因素進(jìn)行分析研究。

1.3 建筑表面顏色對人心理影響的研究

目前，對不同建筑表面顏色產(chǎn)生的心理感受傾向研究是色光研究中的重要問題?，F(xiàn)代城市中各種建筑因其功能、性質(zhì)、體量、規(guī)模不同，對人心理產(chǎn)生的影響也不同。建筑表面顏色的定量研究，對實(shí)現(xiàn)良好的城市光環(huán)境和營造適宜氣氛具有重要意義。如，在夜景照明中，磚紅色與高壓鈉燈組合易喚起溫暖、熱鬧、有活力的色光情感，與金屬鹵化物燈組合易喚起優(yōu)雅、寧靜、舒適的色光情感，與LED燈組合易喚起寒冷、明亮、現(xiàn)實(shí)的色光情感。而水泥灰色與高壓鈉燈組合易喚起傳統(tǒng)、溫暖、浪漫的色光情感，與金屬鹵化物燈組合易喚起優(yōu)雅、肅穆、寧靜的色光情感，與LED燈組合易喚起明亮、肅穆、寒冷的色光情感[4]。

1.4 直射光與輻射熱影響研究

山地城鎮(zhèn)地形地貌復(fù)雜，建設(shè)用地相對緊張，建筑高低錯(cuò)落，大量的高層建筑擁擠在一起，間距小。直射日光和輻射熱在建筑表面形成多次反射，城市熱島效應(yīng)加劇。因此，針對建筑外墻飾面材料、屋頂、鋪地、玻璃幕墻等對直射光的反射和熱輻射進(jìn)行研究，對改善山地城鎮(zhèn)的人居環(huán)境具有重要意義。其中，飾面材料的選擇不僅關(guān)系到建筑的美觀，而且對城市熱環(huán)境有很大的影響。一方面，如果飾面材料反射比過低，雖能減弱多次反射，但建筑表皮可能會大量吸熱而導(dǎo)致室內(nèi)溫度升高。同時(shí)，夜間飾面材料又會對外產(chǎn)生大量熱輻射，使城市夜間溫度升高，特別是在山地城鎮(zhèn)通風(fēng)條件不良的情況下，夜間降溫效果差。另一方面，如果飾面材料反射比過高，會加強(qiáng)太陽光的多次反射，同時(shí)造成城市光污染。因此，確定合適反射比的飾面材料，對減少直射光與輻射熱影響具有重要意義。

1.5 室內(nèi)照明與健康研究

目前，中國中小學(xué)生視力下降的問題日益突出，室內(nèi)照明與健康的研究也引起了廣泛關(guān)注。中小學(xué)生除了學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)過重之外，用眼不衛(wèi)生和光照環(huán)境差也是導(dǎo)致其視力下降的重要原因。針對教室的照明環(huán)境，2004年頒布了《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，但對中小學(xué)校教室照明專項(xiàng)分析和研究的深度不夠。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，規(guī)范中所規(guī)定的教室課桌面照度標(biāo)準(zhǔn)為300 lx，僅在低色溫情況下是合適的。在教室照明光源選擇中，應(yīng)以4 000 K左右中等色溫的熒光燈作為主要光源。而目前大學(xué)教室普遍使用的高色溫(6 500 K)熒光燈光源，不利于緩解學(xué)生的腦疲勞和視疲勞，不應(yīng)作為教室主光源[5]。另外，對于家庭作業(yè)照明，由于缺乏科學(xué)依據(jù)和專業(yè)指導(dǎo)，家長在設(shè)置家庭作業(yè)照明環(huán)境時(shí)較為盲目，家庭用光環(huán)境不合理的現(xiàn)象比比皆是[6]。中小學(xué)生特別是小學(xué)生正處于養(yǎng)成正確用眼習(xí)慣的重要階段，科學(xué)合理的光照環(huán)境對視力健康具有重要意義。因此，在山地城鎮(zhèn)中迫切需要開展室內(nèi)照明與健康的研究，特別是針對中小學(xué)生視覺特點(diǎn)的教室及家庭作業(yè)照明環(huán)境分析研究。

2 山地城鎮(zhèn)光環(huán)境質(zhì)量評價(jià)體系研究

為了保證山地城鎮(zhèn)良好的室內(nèi)外光環(huán)境，除要遵循山地城鎮(zhèn)建設(shè)的總體規(guī)劃、詳細(xì)規(guī)劃和近期建設(shè)規(guī)劃外，還要根據(jù)光環(huán)境評價(jià)體系進(jìn)行山地城鎮(zhèn)建設(shè)，提高人工光環(huán)境和天然光環(huán)境的質(zhì)量。確定山地城鎮(zhèn)光環(huán)境質(zhì)量評價(jià)體系，可從人工光環(huán)境的評價(jià)體系和天然光環(huán)境的評價(jià)體系入手。

人工光環(huán)境分為室內(nèi)照明和室外照明兩方面。無論是室內(nèi)照明還是室外照明，照明功率密度值(LPD)是評價(jià)的重要指標(biāo)之一，同時(shí)還要把照度(或亮度)、均勻度、眩光和相應(yīng)照明種類的特殊要求作為評價(jià)指標(biāo)[7]。如，建筑照明要考慮不同的照明場所對光色的要求，以及室內(nèi)各面之間的多次反射會增加照度(或亮度)的現(xiàn)象，還要把長時(shí)間工作房間里的光源顏色和各表面反射比作為評價(jià)指標(biāo)。同時(shí)把車道外5 m寬的帶狀區(qū)域內(nèi)的平均水平照度與相鄰的5 m寬車行道上平均水平照度之比值——環(huán)境比以及誘導(dǎo)性作為評價(jià)指標(biāo)。另外，還要考慮城區(qū)照明光環(huán)境的立體感指數(shù)。立體感是照明系統(tǒng)在舒適感和滿意度方面的度量指標(biāo)，良好的造型立體感可讓外觀呈現(xiàn)出十分自然的狀態(tài)。垂直面照度與半柱面照度比值、垂直面照度與水平面照度比值、平均柱面照度與水平面照度比值是3個(gè)常用的立體感評價(jià)指標(biāo)。其中，垂直面照度與半柱面照度比值是評價(jià)立體感的重要指標(biāo)。

另外，由于人們已經(jīng)適應(yīng)了在天然光下工作、學(xué)習(xí)和生活，在天然光下比在人工光下具有更高的視覺功效，并感到舒適，有益于身心健康。在現(xiàn)行的中國建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，將采光系數(shù)作為采光設(shè)計(jì)的數(shù)量指標(biāo)。建筑物天然采光設(shè)計(jì)就是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的采光系數(shù)等，針對不同功能的建筑物確定窗洞口的形式、大小和位置，最后通過驗(yàn)算和完善，使室內(nèi)天然光環(huán)境達(dá)到滿意的程度。另外，建筑物室內(nèi)天然光環(huán)境還要滿足采光質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)的要求，滿足采光均勻度和減小窗眩光等的規(guī)定。

建立山地城鎮(zhèn)光環(huán)境質(zhì)量評價(jià)體系是一項(xiàng)十分重要的工作，評價(jià)體系如何建立，需要多方面分析，全面考慮。無論何種評價(jià)體系，數(shù)量指標(biāo)——照度(亮度)或采光系數(shù)，質(zhì)量指標(biāo)——均勻度、眩光，相應(yīng)照明類型的特殊指標(biāo)都是需要考慮的方面。在節(jié)能和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)中，對人工光環(huán)境來說，照明功率密度(LPD)是重要評價(jià)指標(biāo)之一，對建筑物室內(nèi)天然光環(huán)境而言，日照與自然通風(fēng)是節(jié)能評價(jià)指標(biāo)之一。

3 山地城鎮(zhèn)光環(huán)境控制應(yīng)用技術(shù)研究

3.1 山地城鎮(zhèn)光生態(tài)與光污染控制研究

近年來的光生物學(xué)研究表明，光輻射與人類健康息息相關(guān)，紫外光、可見光、紅外光等都能對人體生理產(chǎn)生影響。照射不足或照射過度對人體都存在潛在危害。對光生物安全性的研究重點(diǎn)是光輻射對人體的危害性研究[8]。一方面，干擾光有的直射到人眼造成眩光，有的通過窗戶照射到室內(nèi)，把房間照亮，影響人們正常工作、生活和休息，打亂人的生物鐘節(jié)律，危害人體健康。研究表明，夜晚強(qiáng)烈的燈光照射會擾亂人的正常激素形成而影響健康，增加某些癌癥發(fā)病危險(xiǎn)。另一方面，眩光對汽車司機(jī)的視覺作業(yè)可造成不良影響，引發(fā)交通事故，對人正常的視覺活動，如辯識路標(biāo)、路障及周圍環(huán)境狀況等也造成影響，對為交通運(yùn)輸作業(yè)提供視覺信息的信號燈、燈塔和燈光標(biāo)志等的正常工作產(chǎn)生干擾，降低其工作效能。因此，對光生態(tài)和光污染進(jìn)行研究是山地城鎮(zhèn)光環(huán)境控制應(yīng)用技術(shù)研究的重要內(nèi)容。

3.2 山地城鎮(zhèn)日照調(diào)節(jié)技術(shù)研究

對天然采光影響最大的莫過于太陽，太陽在一天、一年中的變化，都會影響建筑天然采光的照度和均勻度。為保證室內(nèi)光環(huán)境、熱環(huán)境的舒適性與穩(wěn)定性，人們在天然采光系統(tǒng)中采用一系列的技術(shù)手段來實(shí)時(shí)控制天然光及熱的攝入量。一方面在采光材料上出現(xiàn)了革新，采光材料能感知光與熱的變化從而調(diào)節(jié)采光量。現(xiàn)已研制出多種類型的調(diào)光玻璃，這些調(diào)光玻璃和吸熱玻璃、熱反射玻璃不同，能隨著外界光、熱條件的變化而改變，從而實(shí)現(xiàn)對陽光射入量的控制，為建筑提供理想的光、熱環(huán)境。目前的調(diào)光玻璃主要有4種類型：光致變色、電致變色、溫致變色和壓致變色。另一方面，出現(xiàn)了智能監(jiān)測調(diào)控技術(shù)，如智能動態(tài)遮陽系統(tǒng)。智能動態(tài)遮陽系統(tǒng)可以追蹤太陽不同的高度角，并根據(jù)不同高度角調(diào)整遮陽角度，同時(shí)還可根據(jù)室外太陽輻射強(qiáng)度與室內(nèi)光線照度水平自動切換功能模式，從而控制和調(diào)節(jié)進(jìn)入室內(nèi)的天然光和太陽輻射量。在山地城鎮(zhèn)中，對先進(jìn)的日照調(diào)節(jié)技術(shù)進(jìn)行研究和運(yùn)用具有重要意義。

3.3 山地城鎮(zhèn)采光照明新技術(shù)適宜度研究

目前新的采光技術(shù)層出不窮，往往利用光的反射、折射或衍射等特性，將天然光引入，并傳輸?shù)叫枰牡胤?。目前主要是針對?dǎo)光管、光導(dǎo)纖維、全反射采光板和導(dǎo)光棱鏡窗等在建筑中的適宜度研究。導(dǎo)光管照明系統(tǒng)設(shè)備主要由集光器、導(dǎo)光管、漫射器及調(diào)光設(shè)備等構(gòu)成，主要是將天然光或人工光通過專門的導(dǎo)光管道作為傳輸光的通道和媒介引入需要照明的部位。光導(dǎo)纖維采光系統(tǒng)與導(dǎo)光管原理相似，一般也是由聚光部分、傳光部分和出光部分組成。采光擱板是在側(cè)窗上部安裝一個(gè)或一組反射裝置，使窗口附近的直射陽光經(jīng)過一次或多次反射進(jìn)入室內(nèi)，以提高房間內(nèi)部照度的采光系統(tǒng)。導(dǎo)光棱鏡窗則是利用棱鏡的折射作用改變?nèi)肷涔獾姆较?，使太陽光照射到房間深處。目前，導(dǎo)光管照明實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，地下停車庫、地面步行通道、地下商場、地鐵、隧道、生產(chǎn)車間、大型公共建筑室內(nèi)等都可以發(fā)揮導(dǎo)光管照明技術(shù)的優(yōu)勢[9]。

3.4 山地城鎮(zhèn)照明協(xié)調(diào)技術(shù)研究

山地城鎮(zhèn)照明協(xié)調(diào)技術(shù)主要研究道路照明、隧道照明、城市景觀照明、戶外廣告照明、交通信號與標(biāo)識照明之間的協(xié)調(diào)性問題。道路照明不但要滿足人眼的視功能要求，還要滿足人們的視覺舒適性要求。影響駕駛員舒適性的道路照明因素包括不舒適眩光、縱向均勻度和誘導(dǎo)性，而誘導(dǎo)性包含視覺誘導(dǎo)性和光學(xué)誘導(dǎo)性兩個(gè)方面。隧道照明分為入口段、過渡段、中間段、出口段照明，各段對路面亮度要求不同，其主要原因是洞外亮度復(fù)雜性需要洞內(nèi)亮度與之適應(yīng)，來保證良好視覺效果并達(dá)到安全要求。確定各段的亮度需要研究隧道內(nèi)照明光反射增量和入口、過渡、中間、出口段與洞外道路照明的關(guān)系，找到科學(xué)的照明值。隨著城市的發(fā)展以及人們生活向夜間拓展，城市景觀照明、戶外廣告照明等漸漸增多。但是，目前中國還缺乏針對山地城市形態(tài)的戶外照明專項(xiàng)研究，導(dǎo)致山地城鎮(zhèn)的景觀照明和戶外廣告照明等設(shè)置雜亂，空間視覺效果差，對城市的景觀造成嚴(yán)重影響。這就需要根據(jù)視覺功能對亮度的敏感度研究來確定城市中區(qū)域亮度值，并根據(jù)建筑物飾面材料光反射性質(zhì)來進(jìn)行照明設(shè)計(jì)。因此，綜合研究道路照明、隧道照明、城市景觀照明、戶外廣告照明、交通信號與標(biāo)識照明之間的協(xié)調(diào)性問題是提高城市夜間光環(huán)境質(zhì)量的重要途徑。

4 山地城鎮(zhèn)光環(huán)境控制與節(jié)能產(chǎn)品研究

山地城鎮(zhèn)光環(huán)境控制與節(jié)能產(chǎn)品研究主要包括陽光跟蹤采光及導(dǎo)光產(chǎn)品、智能動態(tài)遮陽產(chǎn)品、LED照明產(chǎn)品等。陽光跟蹤采光產(chǎn)品包括光導(dǎo)纖維、棱鏡導(dǎo)光裝置、管狀天窗、人造日光和導(dǎo)光管等，其可將光線導(dǎo)入特定的空間，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。其中，導(dǎo)光管由于傳輸距離遠(yuǎn)、光線照射面積大、出光口位置可調(diào)節(jié)、易于安裝和維護(hù)、使用壽命長等優(yōu)勢，是一種比較理想的天然光照明方式，也是山地城鎮(zhèn)光環(huán)境控制節(jié)能產(chǎn)品研究的重點(diǎn)之一。同時(shí)，根據(jù)山地城鎮(zhèn)的自然氣候等條件，可以采用智能動態(tài)外遮陽和智能玻璃動態(tài)遮陽2種形式的智能動態(tài)遮陽產(chǎn)品。智能動態(tài)外遮陽能根據(jù)室外條件的變化自主調(diào)節(jié)，可將夏季酷熱擋在室外，又可保證冬季陽光射入。智能玻璃動態(tài)遮陽是在雙層玻璃中間的空腔處設(shè)置百葉，夏季將百葉落下阻止陽光進(jìn)入室內(nèi)，冬季將百葉收起讓陽光進(jìn)入室內(nèi)。同時(shí)采取通風(fēng)換氣等設(shè)施，在夏季協(xié)助轉(zhuǎn)移百葉截取的過多熱量，在冬季則將熱量傳到各個(gè)房間。另外，LED照明產(chǎn)品以其環(huán)保、節(jié)能、安全、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在中國得到了跨越式發(fā)展。但同傳統(tǒng)光源相比，LED照明產(chǎn)品的光譜能量分布、色溫、顯色性、散熱、燈具美觀性等問題需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。因此，需要基于光譜能量分布與日光關(guān)系對LED照明產(chǎn)品進(jìn)行分析，同時(shí)對LED照明產(chǎn)品的反射材料、結(jié)構(gòu)形式與美觀等問題進(jìn)行研究。

5 結(jié)論

文章提出建立一套完整全面的山地城鎮(zhèn)光環(huán)境與節(jié)能控制技術(shù)體系，創(chuàng)造符合現(xiàn)代科學(xué)的山地城鎮(zhèn)光環(huán)境，改善需要依靠大量設(shè)備耗能才能解決的功能使用及舒適性問題，提高山地城鎮(zhèn)光環(huán)境質(zhì)量，充分利用天然光，減少直射光輻射熱污染，研究山地城鎮(zhèn)光環(huán)境控制節(jié)能產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能目標(biāo)。在山地城鎮(zhèn)規(guī)劃與建設(shè)中，從功能布局到建筑之間的相互關(guān)系，從建筑形式到平面與空間的組織，從材料到構(gòu)造等設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，都可以將本研究的成果運(yùn)用于設(shè)計(jì)對象中，優(yōu)化山地城鎮(zhèn)光環(huán)境設(shè)計(jì)方法，為山地城鎮(zhèn)規(guī)劃和城鎮(zhèn)建設(shè)的光環(huán)境控制與節(jié)能提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)達(dá)到節(jié)約能源的目標(biāo)。